中科院兰州化物所王晓龙研究员、周峰研究员等AFM：在仿真湿滑水凝胶器官模型取得进展

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在现代生物医学中，组织器官模型是用于模拟人体结构形态和生理环境的体外生物医用器械，目前已经广泛应用于术前训练、医疗教学、辅助诊断以及新型医疗器械的开发测试。毫无疑问地，相比于活体器官、动物试验和人体临床试验以及先进的虚拟现实（VR）等医疗辅助测试手段，组织器官模型能够真实地反映生物体的组织器官结构形态和生理环境，同时具有低成本、合乎伦理道德以及易于操作实施的特点，使其在发育生物学、疾病研究、手术治疗、新药研发和再生医学领域表现出显著的优势。尽管目前硅胶和塑料的组织器官模型能够重现组织器官的形态结构并投入实际的医疗应用中，但该类材料很难模拟构建生理环境和组织器官的理化特性。然而，水凝胶作为一种湿滑的软材料，和生物体具有良好的理化性能匹配度以及生物相容性，在生物医学中广泛研究和应用。因此，发展具有生物几何形状的下一代水凝胶基的人体器官模型以真实地模拟组织器官的生理环境和界面物质交换在未来生物医学中意义重大。

中科院兰州化学物理研究所王晓龙研究员、周峰研究员等人提出了3D打印热可逆水凝胶模板结合金属离子诱导超分子组装策略，实现了具有内部通道、合适力学性能、梯度结构以及物质交换界面的仿真湿滑水凝胶组织器官模型。该策略能够容易地制备水凝胶组织器官模型，其具有良好的结构完整性、仿真形状和尺寸、大跨度中空腔室和通道、可调控的力学性能以及物质交换界面。基于此，研究者设计制备了一系列人体器官模型，包括分支血管、消化系统、末梢肺泡以及肾小球等，在体外生物医学培训、药理学评价以及医疗器械测试等方面具有潜在的应用前景。该研究以题为“Growing Hydrogel Organ Mannequins with Interconnected Cavity Structures”发表在《Advanced Functional Materials》上。

水凝胶器官模型的制备

对于热场辅助3D打印水凝胶而言，设计具有合适“打印窗口”的水凝胶墨水是关键问题。从分子间作用力的角度设计水凝胶墨水，将两种天然大分子进行复配，利用两种分子官能团之间的静电相互作用、氢键相互作用以及物理缠结，制备出具有合适加工窗口（40-45 ℃）的热可逆水凝胶墨水，适宜用热场辅助墨水直书写技术制备3D复杂结构的热可逆水凝胶模板。引入经典的海藻酸钠/Ca²⁺ 利用超分子组装构筑物理交联水凝层。通过表面吸附的方式将金属配位离子（Ca²⁺）负载于3D打印的水凝胶模板表面，然后浸没于一定浓度的海藻酸钠溶液中，利用快速界面诱导扩散凝胶化机制在水凝胶模板的表面组装一层海藻酸钠/Ca²⁺水凝胶。最后通过进一步离子配位强化和加热去除热可逆的水凝胶模板，得到具有完整结构的中空水凝胶结构。

图1. 仿真湿滑水凝胶组织器官模型的制备过程

该方案提供了一个绿色、高效、易于执行的中空水凝胶结构制备方法。作者制备了具有任意复杂的3D组织器官模型，包括肺、血管网络、肝、手、膀胱、胃部、肠等生物器官结构。特别地，基于水凝胶可调控的力学性能，考虑到不同组织器官的模量差异以及梯度结构，作者通过超分子层层组装构筑了具有梯度结构的水凝胶组织器官模型。这些生物组织结构模型在生物医学的不同研究和应用领域具有重要的意义。

图2. 仿真湿滑水凝胶组织器官模型

水凝胶器官模型的体外模拟测试

作者首先制备了水凝胶血管用于模拟导丝介入过程。结果表明，相比于传统的硅胶基和树脂基血管模型，水凝胶独特的湿滑特性提供了优异的水润滑性能，更加接近真实的血管生理环境，当医用导丝在水凝胶血管中介入时，能够表现出较好的顺滑度，具有更低的摩擦系数和更稳定的摩擦行为。另外，作者还展示了水凝胶消化系统模型，用于模拟体外可控药物释放过程。相比于标准的硬质体外消化系统而言，水凝胶消化系统模型具备仿真的几何结构和通道，同时提供了生理微环境，有助于体外测试评价。因此，体外水凝胶器官模型具有匹配的物理化学特性以及仿真生理环境，对于体外测试和医疗器械研究具有重要意义。

图3. 水凝胶血管复制品用于模拟导丝介入和消化系统模拟药物释放

实体器官模型模拟生物界面物质交换

作者进一步展示了水凝胶器官模型模拟生物界面物质交换的潜力。通过两步分别制备了具有腔室和血管网络的末梢肺泡结构和肾小球模型。从末梢支气管结构进行换气时，末梢肺泡发生扩张和收缩，实现外部毛细管网络中液体的输运。基于水凝胶的物质交换特性，肾小球模型模拟了内部毛细血管结构向外部肾小囊结构扩散的过程。因此，水凝胶器官模型可以作为仿真平台，提供类似于生物体的物质交换的动态环境，为未来种植细胞培养模拟生理功能提供了重要思路。

图4. 水凝胶末梢肺泡和肾小球模拟物质交换

论文的第一作者是中国科学院兰州化学物理研究所特别研究助理蒋盼博士，通讯作者为王晓龙研究员和周峰研究员，该研究工作获得了国家自然科学基金、中国科学院前沿科学重点研究项目和甘肃省重点研发项目的支持。

论文链接： 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202108845

中科院兰州化物所固体润滑国家重点实验室3D打印摩擦器件组长期致力于3D打印高性能聚合物的研发，实现了3D打印功能水凝胶及湿滑水凝胶器官模型制造，包括水凝胶鼻腔、脑部、耳朵、瓣膜、动脉、全尺寸心脏等仿真生物结构的个性化制造，欢迎感兴趣的同行合作指导。

3D打印水凝胶组织器官模型

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